CQFN封装电特性研究

张荣臻，姚昕，张元伟

（无锡中微高科电子有限公司，江苏 无锡 214072）

0 引言

随着集成电路封装朝着高密度、小外形、高性能等方向发展，表面贴装型（SMT）封装的应用越来越广泛[1]。陶瓷四边无引脚扁平封装（CQFN:Cramic Quad Flat Non-leaded package）或陶瓷双列扁平无引脚封装（CDFN:Cramic Dual Flat Non-leaded package），与传统的引脚型封装（如CDIP、CQFP等）相比，具有以下几个方面的优势。

a）外形尺寸小

在封装外形方面，当前行业中常用的CQFN，其引脚节距已降低到0.50 mm；而传统的陶瓷无引脚芯片载体封装（CLCC:Ceramic Leadless Chip Carrier），其常用的引脚节距为1.27 mm[2-3]。以0.50 mm节距的CQFN32和1.27 mm节距的CLCC32为例，CQFN的面积减小了约75%。

b）散热能力优良

CQFN底面通常有大面积的热焊盘，板级组装时，可以焊接到PCB表面，大大地提高了器件的散热能力[4]。

c）良好的电性能

CQFN封装内外引脚之间的距离较短，有利于降低信号传输路径的寄生参数，提高信号性能[5]。

由于节距的缩小，给CQFN的加工、封装和应用也带来了一系列的问题，近年来针对CQFN外壳加工工艺、可靠性等方面多有研究[6-7]，例如:徐利等[8]研究了CQFN外壳在微波电路上的应用。而由于内外引线连接结构上的差异，导致不同结构的CQFN外壳在电特性传输方面具有一定的差异，目前针对此方面的研究较少。针对以上问题，本文介绍了常见的CQFN封装的电连接结构，并结合电特性仿真方法对比了不同封装结构的电特性差异。

1 典型的CQFN封装互连结构

1.1 芯片到陶瓷外壳的连接

典型的CQFN封装结构示意图如图1所示，芯片贴装到陶瓷外壳后，通过引线键合（Wire Bonding）的方式，连接到陶瓷封装的键合指或者底部的贴片区，一般贴片区用于连接地（Ground）信号。外壳内部结构一般有两种:一种是键合指在一个高出的台阶上，与装片区不在同一平面（如图1a所示）；另一种是不存在台阶，键合指和装片区在同一平面（如图1b所示）。

图1 CQFN内部连接结构

1.2 陶瓷外壳内外引脚的连接

CQFN的外形一般有两种结构，如图2-3所示。图2的CQFN封装，类似于传统的CLCC封装，存在侧壁金属化，一般称此种结构为城堡状引脚。图3的CQFN封装，外引脚指从封装的底面引出，而侧面不存在金属互联部分。侧壁金属化的存在一般有两个作用:1）起动内部引脚与外部引脚的电连接；2）在板级组装时，侧壁金属化会爬锡，便于检查焊接质量；但侧壁金属化的存在会增加外壳的加工难度，特别是当引脚节距缩小到0.5 mm以下时，侧壁金属的印刷、填充，给外壳加工带来了很大的挑战。

图2 城堡型CQFN封装

对于城堡型的引脚结构，其内外引脚的互联如图4所示，内部键合通过走线与侧壁金属化相连，而侧壁金属化同底部外引脚相连通，从而形成了“芯片—键合线—内部键合指—内部走线—侧壁金属化—外引脚”这样一个完整的导电通路。

图4 城堡型CQFN互联结构

对于侧壁无金属化的封装来说，内部键合指则直接通过通孔与底部引脚相连，如图5所示。

图5 非城堡型CQFN互连结构

2 CQFN信号传输特性仿真

2.1 S参数简介

高速信号在传输的过程中，受到互连线特性参数的影响，使得信号可能面临反射、过冲、串扰和时序等问题，一般将这些统称为信号完整性问题。信号通道的传输特性通常用S参数来表征。图6所示的二端口网络有4个S参数，Sij表示从j端口输入信号，在i端口测得的能量。常用的S21插入损耗，表示有多少能量传递到端口2，此数值越大越好，理想值为1（0 dB）；S11回波损耗，表示被反射回端口1的能量，该数值越小越好。

图6 二端口网络示意图

2.2 CQFN24仿真模型及参数

采用某款CQFN24封装为例，对比分析不同的引出结构在信号传输上的差异。图7所示为带城堡型结构的QFN24封装，引脚节距为0.50 mm，外形尺寸为4.60 mm×4.60 mm。仿真一对针对图中的P1和N1的差分信号，差分对单端阻抗为50 Ω，双端阻抗为100 Ω。

图7 CQFN24外形尺寸图（城堡型结构）

根据QFN24外壳建立的三维电仿真模型，如图8所示，P1和N1端口通过键合丝与键合指相连。

图8 CQFN24三维仿真模型

表1为仿真参数，陶瓷外壳选用高温氧化铝陶瓷，内部走线及通孔材料为金属钨，芯片键合丝选用φ25 μm金丝。封装要求为在10 GHz时，差分对S21＞-0.5 dB，S11＜-12 dB。

表1 仿真材料参数设置

2.3 S仿真结果及分析

仿真结果如图9所示。从图9中可以看出，在10 GHz时，S21（插入损耗）为-0.5 dB；S11（回波损耗）为-10.9 dB；回损尚未达到-12 dB的指标要求。

图9 S参数仿真结果比

3 封装电特性的优化与分析

对上述信号电路进行阻抗分析发现，差分信号在传输路径上，阻抗的变化较大，最低阻抗约为86 Ω，提高传输路径的阻抗匹配，可以提高信号的传输质量。

图10 CFN24阻抗分析结果

针对以上分析结果，对电路结构做了两种更改:一种是在内部走线上增加了到外引脚的通孔；另一种则是去掉了侧壁金属化，仅保留通孔连接。如图11-12所示。

图11 CQFN24连接结构（增加通孔）

图12 CQFN24连接结构（去掉侧壁金属化）

对上述两种结构进行阻抗分析，结果如表2所示。从表2中可知，增加通孔后，最低阻抗降为84 Ω，阻抗不匹配增大（目标阻抗为100 Ω）；仅保留通孔后，最低阻抗为88 Ω，阻抗不匹配程度降低。

表2 阻抗分析结果 单位：Ω

对上述两种结构进行S参数分析，3种结构的仿真结果对比如表3所示。由仿真结果可知，信号的传输质量与阻抗的匹配程度直接相关。

表3 S参数分析结果 单位：dB

当内部走线通过通孔与外引脚直接相连时，传输结构的阻抗匹配最好，信号传输质量也最好。为此，可以将CQFN24结构更改为图13所示，即采用侧壁无金属化架构，以提高信号的传输质量。

图13 CQFN24外形结构

4 结束语

CQFN封装因为尺寸小、互连短，多用于射频等高速电路。本文针对不同的CQFN电路进行了信号传输特性仿真分析，并对比分析了不同的CQFN互连结构对信号传输的影响。在实际应用中，还需要结合具体的应用场景，选择合适的CQFN外壳结构，并在此基础上进行互联寄生参数、阻抗匹配等方面的优化，以达到实际的应用需求。